高炉煤气优化：生成规律、利用途径与效率提升

高炉煤气生成与利用

高炉（BF）工艺是生产炼钢所需铁水（HM）及生铁的主导技术。铁水是高炉主产品。生产铁水同时连续产生高炉煤气。高炉煤气是指热风通过高炉料柱向上气体上升过程中连续产生的副产品。

高炉焦炭碳部分燃烧虽旨在脱除矿石氧，但巨大煤气产量使高炉亦是煤气生产者。高炉煤气是高炉外消耗的重要化学能源，对联合钢厂煤气平衡有重大影响。首先，剩余高炉煤气在钢厂不同炉窑及电厂锅炉与焦炉煤气、转炉煤气等其他副产品煤气混合燃烧。决定高炉煤气利用价值的主导参数是其热值。

高炉操作与煤气生成机理

图1展示高炉操作简化视图，显示高炉煤气从炉顶排出。

高炉煤气优化：生成规律、利用途径与效率提升
图1 高炉操作简化视图

生产铁水时，热风经风口吹入炉内。热风中氧(O₂)与碳（焦炭形式）反应生成二氧化碳(CO₂)和一氧化碳(CO)：

反应生成气体上升炉shaft，其装有矿石、熔剂、焦炭。经25-30米上升及多重化学反应后，高炉煤气作为加热、含尘、低热值(CV)可燃气体排出炉顶。

焦炭碳(C)与CO均为矿石料柱还原剂，料柱含赤铁矿(Fe₂O₃)、菱铁矿(FeO)、磁铁矿(Fe₃O₄)。这些氧化物还原生成Fe和CO₂。例如赤铁矿还原机理：

石灰石白云石分解作为碱性熔剂去除杂质，释放气体：

所有变化发生在反应区。重要的是，从煤气成分视角，气体化学平衡受布杜瓦可逆反应(2CO = CO₂ + C)支配，在给定温度下CO与CO₂达成设定比率。运行结果：大量热CO₂、CO、N₂上升，新料柱下降进入反应区。

系统变量可引入额外气体成分。例如为减少焦炭用量，可向高炉喷吹煤粉、油、天然气、再生塑料等额外还原剂，提升炉况效率。但须维持料柱完整性，喷吹额外还原剂需伴随蒸汽或O₂注入。这些添加导致热风中H₂、H₂O波动，进而影响水煤气变换可逆反应：

高炉煤气总体化学成分具有动态性，取决于炉况运行参数。图2给出典型操作代表性干体积组成。

高炉煤气优化：生成规律、利用途径与效率提升
图2 高炉煤气典型代表性组成

高炉煤气比体积(m³/t铁水)、化学成分、热值取决于高炉运行参数：

运行参数对联合钢厂能源管理具有实践重要性。输送其他用户的高炉煤气量取决于高炉产气量与高炉热风炉自用煤气量。

高炉煤气炉顶CO+CO₂体积占比约37%-53%。CO/CO₂比范围1.25:1至2.5:1。CO比例越高煤气越危险。H₂含量1%-7%，视风口喷吹燃料类型量而定。平衡成分为氮(N₂)。甲烷(CH₄)可达0.2%。

高炉内热风N₂与焦炭C反应可生成氢氰酸(HCN)和氰气(CN₂)，碱金属氧化物催化。这些气体剧毒。高炉煤气含氰化物200-2000 mg/m³。

高炉煤气离炉顶温度约120-370°C，压力约350-2500mm汞柱压力计。此阶段携带水蒸气约20-115 g/m³，粉尘20-40 g/m³（称"烟尘"）。粉尘粒径几微米至6mm。

高炉煤气近无色(微白)、无臭。其他主要特性：

高炉煤气密度在所有气态燃料中最高。因密度大于空气，泄漏时沉积底部。高CO浓度使煤气危险。

高炉顶高压煤气用于驱动发电机（顶部煤气回压透平，TRT）。TRT不燃烧燃料可发电达35 kWh/t铁水。干式TRT发电量大于湿式。

高炉煤气出炉顶含20-40 g/m³烟尘，不能直接使用。粉尘含细焦炭、负担材料、炉内反应生成化合物。脏煤气在煤气净化厂两级净化：(i)初级净化，(ii)二级净化。

含沉尘器、旋风分离器或组合。利用重力原理去除粗颗粒(>0.8mm)粉尘。此阶段煤气通常通过沉尘器去除所有粗颗粒。沉尘器为大型圆筒结构，直径高度均20-30m。通常内衬绝热防止煤气水分冷凝，保持粉尘干燥自由流入锥底定期清除。

煤气经单一下料管进入沉尘器顶部，垂直管向下输送煤气。管下端呈倒漏斗状扩张，煤气下行速度降低（降低带尘能力），大部粗粉尘脱离气流沉积锥底。因沉尘器底部封闭、煤气出口靠近顶部，气流方向骤变180°，迫使更多粉尘沉降。

经沉尘器后煤气进入二级净化。干法净化用袋式除尘器去除细粉尘；湿法净化在洗涤器中分级洗涤除尘。

高炉顶煤气显热1832年首用于预热冷风。最初换热器安装炉顶。1845年首次尝试利用高炉煤气燃烧热，但燃烧不成功直到1857年。利用进展延迟可能因高粉尘含量、净化处理难题、固体燃料低成本。燃料成本上升与竞争迫使使用。

过去高炉煤气用途限于高炉热风炉加热及混合燃料锅炉。因特性不被认为其他用途经济。近年多因素促成用途扩大：

联合钢厂高炉煤气通常与焦炉煤气或转炉煤气或两者混合使用。混合煤气作为燃料用于钢厂各炉窑。高炉煤气不混合不预热可用于：高炉热风炉、均热炉、正火退火炉、铸造芯烘炉、鼓风燃气发动机、发电锅炉、燃气轮机发电。近年技术进步使高炉煤气直接用于烧结机焙烧炉。

高炉煤气用于鼓风发电燃气发动机的热力优势须克服此类设备巨额投资维护费用。现代锅炉房采用高蒸汽参数配高效汽轮鼓风机发电机，已大幅降低燃气发动机热力优势，难以论证其使用合理性。亚欧部分钢厂成功用直连燃气轮机驱动发电机。预热高炉煤气配预热空气成功用于焦炉加热、均热炉、加热炉。

预热高炉煤气需最低洁净度0.023 g/m³。所有使用该煤气场合均需额外预防措施防止未燃高炉煤气逸散环境，因含大量剧毒CO。

高炉操作中煤气热值接近低值700 kcal/m³时，必须混合其他燃料煤气以从热风炉获得极高热风温度。

制造工艺